恒握力平行开闭机械手设计(3)

第三章 机械手结构设计
3.1 夹持式手部结构

夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。

3.1.1手指的形状和分类

夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用也常见，其结构简单，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。

3.1.2设计时考虑的几个问题

(1)具有足够的握力(即夹紧力)

在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。

(2)手指间应具有一定的开闭距离

两手指张开与闭合的两个极限位置之间的距离称为手指的开闭距离。手指的开闭距离应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。

(3)保证工件准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。

(4)具有足够的强度和刚度

手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。

(5)考虑被抓取对象的要求

根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是平行移动型，由于工件为20mm～80mm圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如图2-3所示。

3.1.1手部夹紧气缸的设计

1）手部驱动力计算

本课题气动机械手的手部结构如图2－3所示：

其工件重量G=5公斤，要保证能夹持20mm和80mm圆形棒料

V形手指的角度,Ｖ开缺口间距39.3mm，钢和钢之间的摩擦系数为

 图3-1手爪结构

(1)工件需夹紧不掉，其夹紧力需满足

   

(2)根据手部结构的传动示意图，设大齿轮分度圆直径为b，小轮轮直径为a,其驱动力为:

  

根据结构要求，a=30mm   b=60mm （由后计算可知）

则=1334N

(3)实际驱动力:

 

因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:

所以

所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力至少为。

2）弹簧压紧力计算

图3-2 受力图

（1）由前可知，大齿轮需要转矩为

(2)摩擦片为橡胶，其与表面粗铁之间的摩擦系数为f=0.8

N

3）、气缸的直径

本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:

式中:  - 活塞杆上的推力，N

 - 弹簧反作用力，N

- 气缸工作时的总阻力，N

- 气缸工作压力，Pa

弹簧反作用按下式计算:

Gf =

式中:-  弹簧刚度，N/m

- 弹簧预压缩量，m

- 活塞行程，m

- 弹簧钢丝直径，m

- 弹簧平均直径，.

- 弹簧有效圈数.

- 弹簧材料剪切模量，一般取

在设计中，必须考虑负载率的影响，则:

由以上分析得单向作用气缸的直径:

代入有关数据，可得

所以:

＝64mm

查手册圆整，得

由,可得活塞杆直径:

圆整后，取活塞杆直径校核，按公式

有:

其中，[]，

则:

满足实际设计要求。

4）缸筒壁厚的设计

缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:

式中:6- 缸筒壁厚，mm

- 气缸内径，mm

- 实验压力，取, Pa

材料为:HT200,[]=10MPa

代入己知数据，则壁厚为:

取，则缸筒外径为:

3.1.2 齿轮齿条传动设计

1）齿轮的材料，精度和齿数选择

齿轮材料：齿轮齿条均采用45号钢，锻选项毛坯，齿轮齿轮调质处理，处理后，齿轮硬度270HBC，齿条硬度240HBC。

齿轮精度：齿轮精度用7级，轮齿表面精糙度为Ra1.6。

取齿宽系数

初步选取小齿轮齿数Z1=20

2）设计计算

（1）按齿面接触疲劳强度计算，再按齿根弯曲疲劳强度设计

由［1］图7-6选取材料的接触疲劳，极限应力为

бHILim=580      бHILin=560

由［1］图 7-7选取材料弯曲疲劳极限应力

бHILim=230        бHILin=220

应力循环次数N由［1］式（7-3）计算

N=60n at=60×300×(2×8×300×10)=8.6×

T=20010N.mm

由［1］图7-8查得接触疲劳寿命系数；ZN1=1.1 ZN2=1.04

由［1］图7-9查得弯曲 疲劳寿命系数 ；YN1=1 YN2=1

由［1］图7-2查得接触疲劳安全系数：SFmin=1.3 又YST=2.0 试选Kt=1.2

由［1］式(7-1)(7-2)求许用接触应力和许用弯曲应力

将数值代入式(7-9)得

则V1=(πd1tn1/60×1000)=0.79m/s

查［1］图7-10得Kv=1.13 由表7-3查和得K A=1.1.由表7-4查得Kβ=1.2.取Kα=1.1.则K=KAKVKβKα=2.313 ,修正

M=d1/Z1=1.5mm

由表7-6取标准模数：mn=1.5mm

2）按齿根弯曲疲劳强度设计

计算公式：

由［1］图7-18查得，YFS1=1.6，YFS2=1.764 取Yε=0.7

计算弯曲疲劳许用应力

查取齿形系数 

计算载荷系数 

计算大小齿轮的并加以比较

显然大齿轮的值大些

计算得       

对比计算结果：齿面接触疲劳强度的模数大于齿根弯曲疲劳强度的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得的模数1.44，并就近圆整为1.5，并接触强度算得的分度圆直径决定小齿轮齿数,

Z1=d1/m=30/1.5=20,    取Z1＝20

3．几何尺寸计算

分度圆直径

由于大齿轮的分度圆直径是小齿轮的2倍，所以

齿条模数和齿轮模数相同。

3.1.3 轴的设计与校核

⑴确定各轴段直径

①计算最小轴段直径。

因为轴主要承受转矩作用，所以按扭转强度计算，由式14-2得：

考虑到该轴段上开有键槽，因此取

 由下图3-3可知，

图3-3 轴结构图

②为使轴方便安装，则第二段轴径。

③设计轴段，为使轴定位， mm mm 

④设计轴段，为退刀槽，故取  mm

⑤设计另一卡环槽，取，。

⑥ 轮装拆方便，设计轴头，取，查手册9页表1-16取。

⑵确定各轴段长度。

有弹簧和螺母的尺寸决定

由齿轮和摩擦片的宽度mm

（4）．校核该轴

求作用力、力矩和和力矩、危险截面的当量弯矩。

作用在齿轮上的圆周力：                           

径向力：

计算危险截面处轴的直径。

因为材料选择40Cr调质，查课本225页表14-1得，

因此，取大于6.35mm，是安全的

3.2、升降气缸的尺寸设计与校核

3.2.1 尺寸设计

气缸运行长度设计为=60mm,气缸内径为=110mm,半径R=55mm,气缸运行速度，加速度时间=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力：

3.2.2 尺寸校核

1．测定手腕质量为80kg,则重力：

   

2．设计加速度，则惯性力：

3.考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数，

  总受力

所以设计尺寸符合实际使用要求。

3.3、手腕及回转气缸的尺寸设计与校核

3.3.1 手腕的自由度

手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于，并且要求严格的密封。

3.3.2 手腕的驱动力矩的计算

3.3.2.1手腕转动时所需的驱动力矩

手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。

1.工件2.手部3.手腕

图4-1手碗回转时受力状态

手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:

 

式中: -  驱动手腕转动的驱动力矩();

- 惯性力矩();

-  参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩().

-  手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力

矩();

下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:

1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦

若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则:

 

式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量;

- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。

若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为:

式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量:

- 工件的重量(N);

- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm),

- 手腕转动时的角速度(弧度/s);

- 起动过程所需的时间(s);

— 起动过程所转过的角度(弧度)。

2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏

 + ()

式中: - 手腕转动件的重量(N);

- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)

当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则.

3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩

()

式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm);

- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;

,- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，

根据,得:

同理，根据(F),得:

式中:- 的重量(N)

,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm).

4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。

3.3.2.2回转气缸的驱动力矩计算

在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图4-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为:

  或 

3.3.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核

1） 尺寸设计

气缸长度设计为,气缸内径为,半径R=105mm,轴径半径,气缸运行角速度=，加速度时间0.5s,压强,

则力矩：

 

2） 尺寸校核

1．测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，

质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：

（）

考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数,

 

总驱动力矩：

 

 

 

  设计尺寸满足使用要求。

3.4伸缩臂设计

设计机械手伸缩臂，底板固定在大臂上，前端法兰安装机械手，完成直线伸缩动作。

（1）功能性的要求

机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调。

（2）适应性的要求

为便于调整，适应工件大小不同的要求，起止位置要方便调整，要求设置可调式定位机构。为了控制惯性力，减少运动冲击，动力的大小要能与负载大小相适应，如步进电机通过程序设计改变运动速度，力矩电机通过调整工作电压，改变堵力矩的大小，达到工作平稳、动作快捷、定位准确的要求。

（3）可靠性的要求

可靠性是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。

工业机械手可自动完成预定工作，广泛应用在自动化生产线上，因此要求机械手工作必须可靠。设计时要进行可靠性分析。

（4）寿命的要求

产品寿命是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。设计中要考虑采取减少摩擦和磨损的措施，如：选择耐磨材料、采取润滑措施、合理设计零件的形面等。因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损的零件要便于更换。

（5）经济的要求

机械产品设备的经济性包括设计制造的经济性和使用的经济性。机械产品的制造成本构成中材料费、加工费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。将机械设计课程中学到的基本设计思想贯穿到设计中。

（6）人机工程学的要求

人机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。本设计中要充分考虑外形设计，各调整环节的设计要方便人体接近，方便工具的使用。

（7）安全保护和自动报警的要求

按规范要求，采取适当的防护措施，确保操作人员的人身安全，这是任何设计都必须考虑的，是必不可少的。在程序设计中要考虑因故障造成的突然工作中断，如机构卡死、工件不到位、突然断电等情况，要设置报警装置。

设计参数

（1）伸缩长度：295mm； 

（2）单方向伸缩时间：1.5～2.5S；

（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于2mm；

（4）前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击；